NovoStimAct – Plant Biostimulant Activity of Novel Bacterial Biosurfactants

Sandra Bredenbruch (Koordinatorin), INRES - Molekulare Phytomedizin, Universität Bonn
Nina Stadler, Bioorganische Chemie, HHU Düsseldorf

Laufzeit: 01.05.-31.10. 2023

Für das Miniprojekt NovoStimAct sollten zwei Arten aus den Gattungen Rhodococcus und Sporosarcina hinsichtlich ihres Potentials oberflächenaktive Wirkstoffe, sogenannte Biotenside, zu produzieren, untersucht werden. Weiterhin sollten diese amphiphilen Metabolite mit Blick auf ihre Struktur (Partner 2) und Biostimulanzaktivität auf Pflanzen (Partner 1) analysiert werden. 
Wir konnten nachweisen, dass Diesel und Glukose die Biosynthese von oberflächenaktiven Substanzen in dem Rhodococcus Isolat, jedoch nicht in dem Sporosarcina Isolat stimulieren. Diesel als Kohlenstoffquelle in der bakteriellen Kultivierung führte sehr schnell zur Biosynthese von Biotensiden, beeinträchtigte eine erfolgreiche Biotensidextraktion jedoch massiv. Biotenside wurde auch nach Zugabe von Glukose synthetisiert, jedoch trotz Verdopplung der Kultivierungsdauer mit geringerer Oberflächenaktivität. Als Zugabe zur Kultivierung von Rhodococcus wurde Diesel sehr schnell emulgiert, jedoch konnte für keinen Kulturüberstand Emulsionskapazität oder Einfluss auf die Quellfähigkeit des Saatguts festgestellt werden. Eine Saatgutapplikation wurde durch kurze Inkubation in entweder den bakteriellen Zellen oder der kruden Metabolitmischung nachgeahmt und führte zu einer schnelleren Keimung und oft auch höheren Keimungsrate. Eine detailierte Analyse des Pflanzenphänotyps unter axenischen Bedingungen zeigte eine signfikanten Zunahme des Wurzelwachstums für verschiedene Kulturpflanzen, darunter Weizen, Mais und Zuckerrübe. Dies ist eine bedeutende Entdeckung in Richtung biologisch-basierter Wirkstoffe für eine nachhaltige Landwirtschaft. 

Abbildung: Joana Pohlentz

ReCHARM - Recycling of Ustilago maydis Cell Debris into Biochar for Soil Amelioration

Katharina Miebach (Koordinatorin), AVT-Bioverfahrenstechnik, RWTH Aachen
Joana Pohlentz, Mikrobiologie, HHU Düsseldorf
Alexandra Brautlacht, Technologie der Energierohstoffe, RWTH Aachen

Laufzeit: 01.04.-30.09.2023

Das Ziel des Projekts war es, die Nachhaltigkeit und wirtschaftliche Machbarkeit biotechnologischer Prozesse mit Ustilago maydis zu verbessern. Ein Schwerpunkt lag auf der Entwicklung einer nachhaltigen enzymatischen Zelllysemethode, um wertvolle intrazelluläre Produkte ohne Nutzung aggressiver Chemikalien freizusetzen. Ein weiteres Ziel bestand darin, einen zirkulären Prozess zu schaffen. Dafür sollte U. maydis auf landwirtschaftlichen Nebenströmen angezogen werden und die Kulturreste durch Pyrolyse recycelt werden, um Biokohle zur Bodenverbesserung herzustellen und damit neue Einnahmequellen zu generieren.  
Im Arbeitspaket 1 (AP1) wurde eine schonende Methode für die Zelllyse entwickelt, um intrazelluläre Produkte freizusetzen, ohne deren Eigenschaften zu beeinträchtigen. Ein roter fluoreszierender Marker (mKate2) wurde zur einfachen Verfolgung der Zelllyse eingebracht, und ein kostengünstiges Enzymgemisch (VinoTaste® Pro) wurde auf seine Fähigkeit zum Zellwandaufschluss getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von VinoTaste® Pro zu U. maydis-Kulturen den Marker mit einer Effizienz von etwa 50% im Vergleich zum Standardzellaufschluss in der Kugelmühle freisetzte. Parallel wurden genetische Modifikationen untersucht, um die Fragilität von U. maydis zu erhöhen. Diese reichten jedoch allein nicht für eine effiziente Zelllyse aus. Im AP2 wurde das Potenzial von Pflanzenabfallströmen als Kohlenstoffquellen für U. maydis zur Produktion von Triglyceriden untersucht. Obwohl gemahlene Maisblätter und -kolben das Wachstum von U. maydis förderten, führten sie nicht zu einer hohen Triglyceridproduktion. Die Hydrolyse der Pflanzenbiomasse in einem vorangehenden Schritt erzeugte ausreichend Kohlenstoff für das Wachstum und überschüssige Zucker für die Triglyceridproduktion. Die Ausbeute war jedoch im Vergleich zu Fermentationen mit reinem Zucker gering. Kapazitätsmessung wurde implementiert, um die mikrobielle Biomasse während der Kultivierung zu überwachen und erwies sich als nützliches Online-Überwachungswerkzeug ohne die Triglyceridproduktion zu beeinträchtigen. AP3 untersuchte das Flüchtigkeitsverhalten von U. maydis Biomasse durch thermogravimetrische Analyse (TGA), um das Potenzial von U. maydis-Biokohle zu bewerten. TGA-Experimente zeigten vielversprechende Erträge von ca. 30%, was auf eine signifikante Kohlenstofffixierung hinweist. Kontrollexperimente mit Chitin, einem Hauptbestandteil von Pilzen, deuteten auf eine komplexe Zusammensetzung der Biomasse jenseits von Chitin hin, die volatilisierenden Mustern ähnelte, wie sie bei lignozellulosehaltigen Pflanzen beobachtet wurden. Mikroskopaufnahmen der produzierten Biokohle zeigten jedoch wenige Poren und Oberflächenstrukturen, die für die Wirksamkeit von Biokohle entscheidend sind. Weitere Experimente zur Analyse der Oberfläche der Biokohle sind nötig. Dennoch unterstreichen die TGA-Ergebnisse die vielversprechenden Eigenschaften der Biokohlesynthese aus Pilzen wie U. maydis.